數(shù)電課程設計數(shù)字式秒表

1、數(shù)字秒表1.課程設計任務書設計名稱：數(shù)字式秒表 設計指導老師：*設計任務和要求: 1.設計任務(1) 進行設計方案的比較，并選定設計方案；(2) 完成單元電路的設計和主要元器件說明；(3) 安裝各單元電路，要求布線整齊、美觀；(4) 寫出課程設計報告文檔。2.設計要求(1) 設計并制作符合要求的電子秒表；(2) 秒表由6 位七段led顯著器顯示，其中兩位顯示“min”,四位顯示 “s”，其中顯示分辯率為0.01 s；(3)計時最大值為99 min59.99s；(4)計時誤差不得超過0.01s；(5)具有清零、啟動計時、暫停計時及繼續(xù)計時等控制功能；(6) 控制操作按鍵不得超過2個。3.提高部分

2、3.1 安裝自己設計的電路 （1）檢查元器件（2）對電路進行組裝：按照自己設計的電路，在面包板上插接元器件或在通用板上焊接。焊接完畢后，應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。 3.2. 通電調(diào)式（1）通電測試：對安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。（2）通電調(diào)試：經(jīng)過反復的調(diào)整和測量，使電路的性能達到要求。 3.3 書寫調(diào)試報告課程設計說明書書寫格式參照“課程設計說明書書寫格式”文件。4.參考資料1、數(shù)字電子技術導論西安交通大學 . 何金茂主編2、數(shù)字電子技術基礎高等教育出版社. 康華光主編2.方案論證2.1.方案的選擇通過對設計要求的分析，應用相

3、關的數(shù)字電子電路方面的知識畫出原理圖，檢查無誤后，將原理圖在ewb中仿真，驗證通過無誤后，可以考慮使用何種方案來實現(xiàn)設計電路。我們可以通過對照原理圖在萬能板上焊接來實現(xiàn)所設計的電路；也可以在protel中畫出原理圖并布好線通過做pcb板來實現(xiàn)所設計的電路；還可以通過在面包板上插線來實現(xiàn)設計的電路。由于我們考慮到設計電路圖使用的原器件太多（19片芯片），且芯片的引腳太密，給焊接和布線帶來了一定的難度，同時由于我們還開始電工實習，對焊接技術了解不多，并且我們模擬電子電路課程采用了萬能板焊接的方案，對萬能板有一定的了解，故不采用此方案。對于pcb板的方案，我們考慮到后續(xù)課程（如單片機）等課程設計均使

4、用到pcb板，所以這次課程設計我們沒有采用pcb板的焊接來實現(xiàn)設計電路。為擴大知識面，我們選擇的設計方案為通過對面包板插線來實現(xiàn)設計電路。 2.2電路總體功能、結(jié)構(gòu)的分析本電路的目標為設計一個數(shù)字式秒表。如圖2.1所示，數(shù)字式秒表電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩部分組成。其中主體電路完成計數(shù)功能，控制電路完成控制的擴展功能。通過所設計電路將實現(xiàn)具有清零、啟動、暫停、繼續(xù)等控制功能的計時數(shù)字式秒表。根據(jù)電路所需要達到的要求，可以將電路的總體結(jié)構(gòu)框圖描述(如圖2.2):圖2.2 多功能數(shù)字式秒表系統(tǒng)的組成框圖設計時各部分所用的器件名稱如下：時鐘信號：由門電路組成的多諧振蕩器。計數(shù)器：74ls290鎖

5、存器：ct74ls373譯碼器：ct74ls47顯示器：bs2013. 門電路組成的多諧振蕩器簡介3.1. 集成邏輯門與rc組成多諧振蕩器由門電路組成的多諧振蕩器雖具有多種電路的形式，但它們無一例外地具有如下的共同的特點。首先，電路中含有開關器件，如門電路、電壓比較器、bjt等。這些器件主要用作產(chǎn)生高、低電平；其次，具有反饋網(wǎng)絡，將輸出電壓恰當?shù)胤答伣o開關器件，使之改變輸出狀態(tài)；另外，還要有延遲環(huán)節(jié)，利用rc電路的充、放電特性可實現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率。在許多實用電路中，反饋網(wǎng)絡兼有延時的作用。圖3.1.1是一種最簡型多諧振蕩器。圖3.1.1由cmos門電路組成的多諧振蕩器3.2振蕩周

6、期的計算 在振蕩過程中，電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要取決于電容的充、放電時間，而轉(zhuǎn)換時刻則取決于的數(shù)值。根據(jù)以上分析所得電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的幾個特征值，可以計算出周期t的值 上式僅適用于、分別為cmos門中nmos、pmos管的導通電阻，c遠遠大于電路分布電容的情況。當電源電壓波動時會使振蕩頻率不穩(wěn)定，在時，影響尤為重要。加補償電阻的cmos多諧振蕩器如圖3.2.1所示?？蓽p少電源電壓變化對振蕩頻率的影響。當時，?。ㄒ话闳。?。圖3.2.1加補償電阻的cmos多諧振蕩器3.3參數(shù)的確定 由于電路的周期為0.001s，t=0.001s 即1.4rc=0.001 取 4、芯片簡介4.1 74ls29074ls2

7、90是一種較為典型的異步十進制計數(shù)器。它由1個一位二進制和1個異步五進制計數(shù)器組成。如果計數(shù)脈沖由clka端輸入，輸出由qa端引出，即得二進制計數(shù)器；如果計數(shù)脈沖clkb端輸入，輸出由qaqd端引出即得五進制計數(shù)器；如果將qa與clkb相連，計數(shù)脈沖由clka輸入，輸出由qaqb引出，即得8421碼十進制計數(shù)器。因此，又稱此電路為二五十進制計數(shù)器。 74ls290的引腳圖、功能表如下圖所示。4.1.1 74ls290的引腳圖表4.1.1 74ls290的功能表輸入輸出cpr0（1）r0（2）s9（1）s9（2）qaqbqcqdx110x000011x00000xx111001x0x0計數(shù)0x0

8、x0xx0x00x（1）1個下降沿觸發(fā)的t觸發(fā)器，形成模2計數(shù)器；（2）3個下降沿觸發(fā)的t觸發(fā)器，組成的異步模5加法計數(shù)器；（3）異步清0只要s9（1）s9（2）=0，r0（1）=r0（2）=1，就可使qaqbqcqd=0000，即異步清0。（4）異步置9只要s9（1）=s9（2），就可實現(xiàn)全且確切，即異步置9。（5）實現(xiàn)模10計數(shù)器在s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同時滿足的情況下，可在cp下降沿作用下實現(xiàn)加法計數(shù)。若在cp0端輸入脈沖，則q0端是模2計數(shù)，若在cp1端輸入脈沖，則由q3、q2、q1構(gòu)成的計數(shù)器實現(xiàn)異步模5計數(shù)。在s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2

9、）=0同時滿足的情況下，把q0連至cp1，于是，模2計數(shù)器的q0由1變0時，可使q3、q2、q1構(gòu)成模5計數(shù)器進行計數(shù)，總模數(shù)為52=10。（6）實現(xiàn)模6計數(shù)器將74290的qa、qb直接和復位端r0（1）、r0（2）相連，計數(shù)器的初態(tài)為0，當計數(shù)脈沖m=6，輸出qaqbqcqd=0110時，計數(shù)器立即返回0狀態(tài)，從而實現(xiàn)m=6的計數(shù)功能。4.2 ct74ls47鎖存器的原理圖如下圖 圖4.2.1鎖存器的原理圖c是鎖存器信號的輸入端，d是數(shù)據(jù)輸入端q和qo是數(shù)據(jù)互補輸出端。當c=0時，g2被封鎖，輸出0，g3被封鎖輸出1。g5輸出q=d，qo=do（d和do是數(shù)據(jù)互補）。當c由0變1時，分兩種

10、情況討論：一是當c由0變1時，qo=1，q=0，g2被封鎖，由于g3兩個輸入都為1，其輸出為0。g4門也被封鎖。g2門的輸出qo=1。原來的狀態(tài)不改變。其二是當c由0變1時，qo=0，q=1。g2門的兩輸入均為1，則輸出qo=0，使q=1。d無論是0還是1也不改變原來的狀態(tài)。綜合上述分析，可看出：c=0時，q=d，電路不鎖存數(shù)據(jù)，相當于緩沖器。當c=1時，d不影響電路狀態(tài)。c由0變1時將數(shù)據(jù)d鎖定并保持。直到c由1變回0。圖4.2.2 ct74ls373的引腳圖ct74ls373是一種典型的8位鎖存器，oc是三態(tài)輸出控制，低電平有效。即此端加低電平時輸入數(shù)據(jù)能達到輸出端，加高電平時8個輸出均呈

11、高阻態(tài)，c是鎖存器的鎖存控制輸入端。c下降沿鎖存數(shù)據(jù)并低電平保持，高電不鎖存，輸入數(shù)據(jù)直達輸出端。每個鎖存器只有一個同相輸出沒有互補輸出。符號中輸出輸入端引線上所標帶的數(shù)字是該端在芯片上的引腳號。表4.2.1 ct74373功能表：輸入輸出occdqlhhhlhllllxqohxxz表中第1、2行表示在oc為低電平、c為高電平時，q隨d變化，第三行表示oc和c都為低電平q保持原狀態(tài)qo不變。第四行表示oc為高電平時輸出q為高組態(tài)z。4.3 74ls47圖4.3.1 74ls47引腳1腳：二進制置位輸入；2腳：使能端；3腳：五進制置位輸入；4腳：輸出5腳：輸出；6腳：使能端；7腳：接地端8腳：輸

12、出端；9腳：輸出端；10腳：二進制時鐘信號；11腳：五進制時鐘信號；12腳：二進制復位輸入；13腳：五進制復位輸入；14腳：接電源表4.3.1 74ls47功能表4.4 顯示譯碼器 現(xiàn)在的許多電器設備上都有顯示十進制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設備的運行數(shù)據(jù)。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。常見的七段數(shù)碼管有液晶顯示數(shù)碼管和半導體數(shù)碼管兩種。 液晶顯示數(shù)碼管是利用液晶材料的透明度或者顯示的顏色受外加電場控制的特點制成的，簡稱lcd。 半導體數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管（light emitting diode）組成，簡稱led。圖4.4.1是led的引腳及其等效電

13、路。圖4.4.1 （a）led的引腳及其等效電路。led產(chǎn)品的種類繁多，有圖4.4.1(b)、（c）所示的共陰極電路，還有共陽極電路，常用的數(shù)碼顯示器有bs201，bs202等。要驅(qū)動led正常的顯示十進制數(shù)的十個字符，led前面必須接一個顯示譯碼器。 顯示譯碼器可實現(xiàn)的邏輯功能是：將輸入的8421bcd碼轉(zhuǎn)化成驅(qū)動led發(fā)光的高、低電平信號，驅(qū)動led顯示出不同的十進制數(shù)字符，下面來討論顯示譯碼器的組成。 因顯示譯碼器可以驅(qū)動led顯示出09這十個數(shù)字字符，十個數(shù)字字符對應十種高低電平的組合狀態(tài)，要描述這十種高、低電平的組合狀態(tài)必須用4位二進制數(shù)，根據(jù)led發(fā)光的特點可得描述顯示譯碼器邏輯功

14、能的真值表如表4.4.1所示。 表4.4.1 顯示譯碼器邏輯功能真值表4.5 四2輸入與非門74ls00圖4.5.1 74ls00引腳圖上圖中1、2、3組成一個與非門，其中1、2是輸入，3為輸出。4、5、6組成一個與非門，其中4、5是輸入，6為輸出。8、9、10組成一個與非門，其中9、10是輸入，8為輸出。11、12、13組成一個與非門，其中12、13是輸入，11為輸出。4.6 六反相器74ls044.6.1 74ls04引腳圖 74ls04內(nèi)部含有6個反相器，引腳圖中a為輸入，y為輸出。其功能表如下：表4.6.1 74ls04的功能表輸入輸出ay10015.設計原理5.1數(shù)字式秒表實現(xiàn)簡單的

15、計時與顯示按下啟動鍵a開始計時，再按下，清零。按下鎖存鍵space，鎖存數(shù)據(jù)，并繼續(xù)計數(shù)。 具有“分”（0099）“秒”（0059）“微秒”（0099）數(shù)字顯示，分辨率為0.01秒。5.2系統(tǒng)框圖如下 圖5.2.1 100進制計數(shù)器由表4.4.1可知當開關a接地時即s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同時滿足所有計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)，開始計數(shù)。每個74290的時鐘輸入端clkb端與qa端相連組成十進制計數(shù)器，clka時鐘信號接前一個74290的qd輸出端組成異步十進制計數(shù)器。兩個十進制的計數(shù)器相連接組成100進制計數(shù)器。同理可得出0.99秒的計數(shù)器。qaqd的輸出分別接到鎖存器74

16、373的輸入端。當開關space接低電平時，鎖存器鎖存數(shù)據(jù)，同時鎖存器將數(shù)據(jù)輸出到7447譯碼器的輸入端。在秒表電路中，譯碼器的輸入信號就是鎖存器的輸出信號（即計數(shù)器的輸出信號），譯碼器的輸出端接主數(shù)碼管，計數(shù)器輸出的四位bcd碼給譯碼器后，變成某個十進制數(shù)對應的控制電平，主驅(qū)動數(shù)碼管發(fā)光，。 7447的輸出為一組七位二進制代碼，輸出高電平有效，正好與共陰極七段數(shù)碼顯示管bs201聯(lián)結(jié)，這就是組成了計數(shù)譯碼顯示電路由表4.3.1可看出，7447的輸出為一組七位二進制代碼，輸出高電平有效，正好與共陰極七段數(shù)碼顯示管bs201聯(lián)結(jié)，這就是組成了計數(shù)譯碼顯示電路。顯示譯碼器將輸入的4位二進制數(shù)碼qa

17、、qb、qc、qd轉(zhuǎn)換成不同高、低電平的組合狀態(tài)輸出，驅(qū)動七段數(shù)碼管bs201顯示09這十個數(shù)字中的任一個。如圖5.2.2所示。由表4.4.1可知當開關a接vcc時強制清0，所有計數(shù)器全部清0。重新開始計數(shù)圖5.2.2七段數(shù)字顯示器發(fā)光段組圖5.2.3 60進制計數(shù)器如上圖所示，當開關a接地時即s9（1）s9（2）=0，r0（1）r0（2）=0同時滿足所有計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)，開始計數(shù)。如圖5.2.3所示開始計數(shù)時，低位74290的r0（1）、r0通過與非門輸出為1，計數(shù)器的初態(tài)為0，當計數(shù)脈沖m=6，輸出qaqbqcqd=0110時，高位74290的qc、qb通過與非門輸出為0?！?”和“1”

18、再通過與非門輸出為1。由表4.4.1可知當“0”和“1”通過與非門輸出為1時，所有計數(shù)器全部清0。重新開始計數(shù)。當開關a接vcc時強制清0，所有計數(shù)器全部清0。重新開始計數(shù)。鎖存、譯碼和顯示過程與上述100進制的計數(shù)器一樣。在此不再獒述6.安裝工藝6.1 安裝工具 剝線鉗 1個, 尖嘴鉗 1個, 螺絲刀 2個, 電工刀 1個, 數(shù)字萬用表 1個， 鑷子 1個。6.2. 安裝具體步驟 首先要弄清面包板的結(jié)構(gòu)原理，分清各插空是否是等位點； 其次合理安排集成塊和元器件的位置，盡可能的保持在同一條直線上。 注意導線的剖削，剖削導線絕緣層，要求剖削后的芯線長度必須適應連接需要，不應過長或過短，且不應損傷

19、芯線。為了美觀剖削導線時不用火燒，用剝線鉗或電工刀剖削。具體操作方法如下：按連接所需要長度，用鉗頭刀口輕切絕緣層，用左手捏緊導線，右手適當用力，即可使端部的絕緣層脫離芯線，用電工刀時，刀口對導線成45度角切入塑料絕緣層。 導線的布置，布線要注意整齊不交叉，集成塊相鄰管腳之間盡量不布線，相對的引腳之間布線不超過四根。要求導線豎要直、橫要平，盡量減少飛線的存在。這樣便于調(diào)整與測試工作的順利進行。布線具體方法步驟如下：為了最大可能避免錯誤的出現(xiàn)，應按元件的排列順序依次布線，同一元件按管腳順序依次布線。6.3. 安裝注意事項(1) 安裝應接觸良好,保證被安裝元件間能穩(wěn)定可靠地通過一定的電流。(2) 應

20、避免元器件損壞的發(fā)生。插拔元器件時候要垂直插拔以免造成不必要的機械損壞。(3) 安裝時必須采用絕緣良好的絕緣導線,連線的時候要取好元件與元件的距離。連接的時候線與線之間的交叉盡量的少。7.調(diào)試與測試7.1調(diào)試前的檢測電子安裝完畢，通常不宜急于通電，先要認真檢查一下。檢查內(nèi)容包括：（1）連線是否正確檢測的方法通常有兩種方法：a. 根據(jù)電路圖連線，按元件的排列順序依次檢查這種方法的特點是，按一定順序一一檢查安裝好的線路，同一元件按管腳順序依次檢察。由此，可比效容易查出錯線和少線。b.按照實際線路來對照原理圖電路進行查線這是一種以元件為中心進行查線的方法。把每個元件引腳的連線一次查清，檢查每個去處在

21、電路圖上是否存在，這種方法不但可以查出錯線和少線，還容易查出多線。為了防止出錯，對于已查過的線通常應在電路圖上做出標記，最好用指針式萬用表“歐姆1”檔，或用數(shù)字萬用表的“二極管”檔的蜂鳴器來測量元器件引腳，這樣可以同時發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。（2）元器件的安裝情況檢查元器件引腳之間有無短路；連接處有無接觸不良；二極管的極性和集成元件的引腳是否連接有誤。（3）電源供電，信號源連接是否正確。（4）電源端對地是否有短路的現(xiàn)象。注：在通電前，斷開一根電源線，用萬用表檢查電源端對地是否存在短路。若電路經(jīng)過上述檢查，并確認無誤后，就可以轉(zhuǎn)入調(diào)試。7.2通電觀察把經(jīng)過準確測量的電源接入電路。觀察有無異?，F(xiàn)象，包

22、括有無冒煙，是否有異味， 手摸器件是否發(fā)燙，電源是否有短路現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)異常，應立即斷電源，待排除故障后才能再通電。然后測量各路總電源電壓和各器件的引腳的電源電壓，以保證元器件正常工作。7.3調(diào)試中注意事項調(diào)試結(jié)果是否正確，很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。為了保證調(diào)試的效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注意以下幾點：(1) 調(diào)試前先熟悉各種儀器的使用方法,并仔細加以檢查,以避免由于使用儀器不當,或儀器的性能達不到要求,而遭成測量結(jié)果不準,以至做出錯誤的判斷。(2) 測量儀器的地線應于被測量儀器的地線連在一起,并形成系統(tǒng)的參考地電位,這樣才能保證測量結(jié)果的準確性。(3) 要

23、正確選擇測量點和測量方法。(4) 調(diào)試過程中自始至終要有嚴謹?shù)目茖W作風,決不可急于求成。在調(diào)試過程中,不但要認真觀察測量,還要記錄并善于進行分析、判斷。切不可一遇問題,就沒有目的的亂調(diào)、亂測和亂改接線,甚至把電路拆掉重新安裝。這樣,不但不能解決問題,相反還會發(fā)生更大的故障,甚至損壞元器件及測量儀器。7.4 故障的排除 新電路板出現(xiàn)故障是常見的,每個學生都必須認真對待。查找故障時,首先要有耐心,還要細心,切忌馬馬虎虎,同時還要開動腦筋, 認真進行分析、判斷。當電路工作時,首先應關掉電源,再檢查電路是否有接錯、掉線、斷線,有沒有接觸不良、元器件損壞、元件插錯、元器件引腳接錯等。查找時可借助萬用表進

24、行。對于一個完整的系統(tǒng)電路,迅速而準確的排除故障,需要一定的實際工作經(jīng)驗,對于初學者來說,首先應認真分析電路圖,并善于將全電路分解成幾個功能塊,明確各部分信號傳遞關系及工作原理。然后根據(jù)故障現(xiàn)象及有關測試數(shù)據(jù),分析和初步確定故障可能出現(xiàn)的部位,再按上述步驟仔細檢查這一部分電路,就可能比較快地找到故障點及故障原因。8. 元器件清單(1) ct74ls290異步十進制計數(shù)器（7片）；(2) ct74ls00六反相器（1片）；(3) ct74ls3738位鎖存器（3片）；(4) ct74ls47bcd七段譯碼器/驅(qū)動器（6片）；(5) ct74ls04四2輸入的正與非門（1片）；(6) bs201-

25、共陽數(shù)碼顯示管（6片）；(7) 電阻2個,電阻7001個, 電阻71個；(8) 開關2個，電源vcc +5v一個；(9) 導線若干。9.心得體會通過幾個星期的努力，最終把這次課程設計的任務完成了。這是我們進行的第二個課程設計，讓我懂得了很多以前不知道的知識，如面包板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、相關芯片的引腳特點等等。在設計中，遇到了很多問題，甚至有一些是以前沒有見到的。經(jīng)過同學的幫助和老師的指導，最終克服了那些難題，鍛煉了我們的實踐動手能力，使我們真正做到了理論與實踐的有效結(jié)合。制作電路時，深深體會到連接電路時一定要細仔細，一定要確保每條線路接觸性良好。為保證接出的電路不出現(xiàn)錯誤，在接線時不能只看著電路原理圖去接，應該先把電路圖中的每個元件的原理和用途搞